現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

引言
 
    當(dāng)今汽車的保有量和使用量的飛速增加使得大氣環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，加上石油資源危機(jī)，使得以電能作為驅(qū)動(dòng)的汽車技術(shù)成為世界各汽車廠商技術(shù)競爭的熱點(diǎn)。但是電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化還處于初期的準(zhǔn)備階段，與之相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品尚未形成工業(yè)體系。在這一新的領(lǐng)域我國與國外處于相近的水平，為此科技部在十?五“863”計(jì)劃專門設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，以進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展。
 
    現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，汽車上的電子裝置越來越多。一輛高檔汽車的電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)上千個(gè)，如果采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行布線，連線的數(shù)量非常驚人而且有極大的故障隱患。為了解決這一問題，各大汽車廠商從上世紀(jì)70年代開始了車用網(wǎng)絡(luò)的研究，并取得了很大的發(fā)展，形成了多種適合不同傳輸速率及特殊用途的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如：CAN總線、LIN總線、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒體應(yīng)用的MOST協(xié)議等。其中CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是BOSCH公司于上世紀(jì)80年代提出的。為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可以很好的解決上述的問題?，F(xiàn)在世界上許多汽車公司，如奔馳、寶馬、大眾等公司已采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。
 
    我國對車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通訊協(xié)議的研究起步比較晚，但近年來發(fā)展比較快，尤其在電動(dòng)汽車項(xiàng)目中總線網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。
 
2  汽車總線的技術(shù)特征
 
    汽車總線傳輸必須確保以下幾點(diǎn)：保證信息能夠準(zhǔn)確的傳送；總線節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)訪問總線；節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問；具有根據(jù)信息內(nèi)容解決總線訪問競爭的能力和競爭解決后獲勝站點(diǎn)能夠訪問總線且繼續(xù)傳輸信息；節(jié)點(diǎn)在盡量短的時(shí)間內(nèi)成功訪問總線；最優(yōu)化的傳輸速率（波特率）；節(jié)點(diǎn)的故障診斷能力；總線具有一定的可擴(kuò)充性等等。
 
2.1  數(shù)字信號的編碼
    為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?，對?shù)字信號正確編碼非常重要。汽車局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號多采用脈寬調(diào)制（PWM）和不歸零制（NRZ）。PWM作為編碼方案時(shí)，波特率上界為3×105Kbps，用于傳輸速率較低的場合。采用NRZ進(jìn)行信息傳輸，可以達(dá)到1Mbps，用于傳輸速率較高的場合。
 
2.2  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    實(shí)用的汽車局域網(wǎng)是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其優(yōu)點(diǎn)是：電纜短，布線容易；總線結(jié)構(gòu)簡單，又是無源元件，可靠性高；易于擴(kuò)充，增加新節(jié)點(diǎn)只需在總線的某點(diǎn)將其接入，如需增加長度可通過中繼器加入一個(gè)附加段。
 
2.3  總線訪問協(xié)議
    汽車總線的訪問協(xié)議一般為爭用協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立決定信息幀的發(fā)送。如果同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會出錯(cuò)，這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時(shí)按某個(gè)規(guī)律等待隨機(jī)時(shí)間間隔后重發(fā)，以避免再發(fā)生沖突。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所使用的防沖突監(jiān)聽措施多為載波監(jiān)聽多路訪問，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測+無損仲裁（C***A/CD+NDA）。
 
3  CAN總線的特點(diǎn)
 
    CAN總線通信協(xié)議是在考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的背景下制訂的，它采用了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO制訂的開放系統(tǒng)互連ISO-OSI模型中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN總線規(guī)范已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國際準(zhǔn)ISO11898，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的支持，進(jìn)而迅速推出了各種集成CAN協(xié)議的產(chǎn)品。與一般的總線相比，CAN 總線具有可靠、靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
    (1)  CAN 總線采用多主結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通訊方式靈活。
    (2)  網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)根據(jù)對總線訪問優(yōu)先級的不同（取決于報(bào)文標(biāo)識符），最快可在134μs內(nèi)得到響應(yīng)。
    (3)  采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)在擁擠的情況下也不會癱瘓。
    (4)  CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而是對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等方式的傳送接收數(shù)據(jù)，容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
    (5)  CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5Kbps），通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長為40m）。
    (6)  采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。CAN的每幀信息都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
    (7)  通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
    (8)  CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
 
4  CAN總線在純電動(dòng)汽車中的應(yīng)用
 
    純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別就是用電能來驅(qū)動(dòng)，即用電池和電機(jī)的組合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制和對電池的管理就成為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。另外純電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)還包括助力轉(zhuǎn)向控制、車身系統(tǒng)控制、組合儀表等部分，每個(gè)部分都有獨(dú)立的控制單元(ECU)，一些先進(jìn)的汽車上還裝備了防抱死制動(dòng)控制系統(tǒng)(ABS)、安全氣囊控制系統(tǒng)(SRS)、巡行控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)、懸架控制、空調(diào)控制、防盜及其他控制等控制單元。另外，各種舒適性控制裝置和通訊系統(tǒng)也不斷增多，而且各ECU 之間有著密切的聯(lián)系，構(gòu)成了基于CAN 總線的汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
 
    純電動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)是由兩條總線構(gòu)成，即高速CAN總線和低速總線。高速CAN總線和低速總線是兩個(gè)獨(dú)立的總線系統(tǒng)。為了便于汽車所有功能的管理，通過網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)連接起來，不同總線間的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這樣兩個(gè)總線分別獨(dú)立運(yùn)行，只有需要在兩種總線間交換的數(shù)據(jù)才通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同類型的信息分開，減輕了各網(wǎng)絡(luò)總線上的負(fù)擔(dān)。高速CAN總線主要連接電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)和故障分析記錄系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組成，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)、電池、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的快速控制。
 
    低速總線主要用于連接車身系統(tǒng)，連接對象主要為汽車中的聯(lián)合裝配單元，如門窗、照明、空調(diào)、濕度傳感器、中央集控鎖等，并通過網(wǎng)關(guān)作為子網(wǎng)接入高速CAN總線，組成一個(gè)統(tǒng)一的多元網(wǎng)絡(luò)。車身中位置比較近的元件連接到一個(gè)ECU，元件的狀態(tài)和控制信號可以通過與其連接的ECU與總線進(jìn)行通訊。每一個(gè)ECU自成系統(tǒng)，可以根據(jù)本地信號和總線上的信號，控制本地執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，同時(shí)將與其他節(jié)點(diǎn)共享的信號發(fā)送到低速總線上。目前，在汽車中應(yīng)用較多的低速總線有兩種。一種是低速CAN總線，是按照ISO 11519-2、J1939以及J2284組建低速容錯(cuò)CAN總線。另一種是LIN總線，即局域互連網(wǎng)絡(luò)(Local Interconnect Network)，是按照ISO 9141 標(biāo)準(zhǔn)[2]來建立，能有效的支持汽車中分布式機(jī)械電子節(jié)點(diǎn)的控制。LIN總線具有成本低、可靠性高的特點(diǎn)，可以很容易的將一些成分比較敏感的元件，如智能傳感器、舒適性設(shè)備等，連接到汽車網(wǎng)絡(luò)中，在汽車應(yīng)用中有望成為低速網(wǎng)絡(luò)的主流。
  
圖1  純電動(dòng)汽車中控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
    整車控制ECU是整個(gè)汽車控制的中心。司機(jī)的鑰匙信號、加速信號、制動(dòng)信號都進(jìn)入到整車控制ECU，整車控制ECU通過對這些信號的分析并綜合檢測傳感器的狀態(tài)，產(chǎn)生各個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作信號，并通過CAN總線將控制指令送到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。電機(jī)控制ECU和轉(zhuǎn)向、制動(dòng)ECU根據(jù)整車控制ECU的控制指令，操縱汽車按照要求行駛。高速CAN總線上還設(shè)置故障診斷ECU，負(fù)責(zé)整車故障信息的診斷和存儲，并控制故障信號顯示，還可以通過無線通訊系統(tǒng)和外部的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行通訊。另外高速CAN總線上設(shè)置了車載記錄儀，其作用類似飛機(jī)的“黑匣子”，用于記錄行車數(shù)據(jù)，分析記錄整車系統(tǒng)的運(yùn)行情況?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的低速總線采用LIN總線。LIN總線是單主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一組從機(jī)節(jié)點(diǎn)多點(diǎn)總線，主控制器為主站，其它車身系統(tǒng)為從站，主控制器同時(shí)作為LIN總線和高速CAN總線的網(wǎng)關(guān)，將整個(gè)車身系統(tǒng)總線連成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，這樣所有 ECU 都掛到總線上，極大地簡化了汽車內(nèi)控制系統(tǒng)的線路聯(lián)系，達(dá)到簡化布線、提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性、降低成本、更好的協(xié)調(diào)各個(gè)控制子系統(tǒng)的目的。
 
    隨著車載多媒體在車輛中的廣泛應(yīng)用，GPS、電話、音響、電視、DVD等系統(tǒng)進(jìn)入汽車內(nèi)，這些裝置之間需要頻繁的通訊，而且信息量巨大，CAN總線或J1850總線無法滿足這些裝置間的通訊要求，因?yàn)閭鬏數(shù)乩硇畔ⅲ℅I）、數(shù)字音頻信息或車輛位置信息至少需要5Mbps的網(wǎng)絡(luò)速度，這樣就出現(xiàn)了一種新型總線IDB-1394，可以支持100、200、400Mbps的通訊速度，完全可以滿足高速通訊的網(wǎng)絡(luò)需求。
 
    CAN總線是一種控制策略總線，主要實(shí)現(xiàn)對車輛本身的控制，而IDB-1394總線則是以多媒體信息交互、共享為目的。為實(shí)現(xiàn)車身整體性能的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)CAN總線和IDB-1394總線間的信息流動(dòng)，在兩總線間增加網(wǎng)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)車身總線網(wǎng)絡(luò)的一體化，從而實(shí)現(xiàn)車身的總線一體化控制。
 
5  我國在CAN總線研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題
 
    CAN符合ISO/OSI的參考模型，但只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，用戶需要自己開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議。如Rockwell公司的DeviceNet協(xié)議和Honeywell公司的SDS總線就是CAN協(xié)議基礎(chǔ)上的應(yīng)用層協(xié)議。國內(nèi)在這方面的應(yīng)用研究則剛剛起步，為了縮短同國外轎車技術(shù)水平的差距并提高自身的競爭力，我國汽車CAN總線的研究重點(diǎn)應(yīng)是研究和開發(fā)自己的汽車總線與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，針對具體的車型開發(fā)ECU的硬件和應(yīng)用層的軟件，并構(gòu)成車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。
 
    利用CAN總線構(gòu)建一個(gè)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：確定總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級、節(jié)點(diǎn)容量等技術(shù)問題；在高電磁干擾環(huán)境下的數(shù)據(jù)的可靠傳輸；確定最大傳輸時(shí)的延時(shí)大??；網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)和監(jiān)控、故障診斷等功能。
 
6  結(jié)論
 
    隨著汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車總線這種有巨大應(yīng)用前景的技術(shù)將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。就我國的國情而言，加快對汽車總線技術(shù)的研究，開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車總線技術(shù)并應(yīng)用于自己的汽車產(chǎn)業(yè)是當(dāng)務(wù)之急，也是人們工作的重點(diǎn)。